RP1712輥壓機斷螺栓故障分析及處置

秦學恒

1 引言

某公司5 000t/d水泥熟料生產線聯合粉磨系統配套輥壓機型號為RP170-120，輥壓輥直徑1 700mm，寬度1 200mm；配套電動機（動、靜輥）功率2×1 000kW，電壓10kV，輸入轉速1 480r/min，額定電流69.1A；配套減速機型號為GZLP1300C-I（II）80，輸 入 轉速1 480r/min，額定 輸出 扭矩523 160N·m，額定功率1 000kW，傳動比81.35。輥壓機設備布置見圖1。由圖可知，輥壓機采用一級平行軸的兩級行星傳動減速機，減速機的輸出軸（空心軸）通過鎖緊盤與輥子軸連接，另有懸掛裝置將減速機安裝在電動機和輥壓機主體之間；減速機底部的法蘭，與懸掛裝置的扭力臂法蘭，采用螺栓連接。輥壓機在運行中，因輥面卡異物，短時間內連續出現了兩次嚴重的斷螺栓故障。

圖1 輥壓機設備空間布置圖

2 故障描述

2.1 故障1：減速機殼體螺栓組剪斷

水泥磨輥壓機在夜間交接班時間段，出現輥面卡異物情況，設備連鎖保護停機。如圖2所示，靜輥減速機殼體螺栓組整體剪斷，減速機反方向翻轉，萬向聯軸器被甩落，電動機軸彎曲，關聯部件損壞。如圖3所示，在此過程中，電機電流上升至68A后下落（聯軸器螺栓剪斷和甩落過程（荷載）中產生主電機電流變化），導致減速機、電機損壞嚴重。

圖2 減速機、電動機損壞

圖3 輥壓機電動機故障電流曲線1

輥壓機輥面卡異物后，靜輥減速機輸出軸以及與之連接的輥子，在運轉過程中被異物卡夾產生制動，減速機輸出軸轉動方向見圖4。當制動載荷超過分度圓直徑為φ1 450mm的18個銷軸組許用抗剪強度后，造成螺栓組整體剪斷，見圖5，修復后減速機的輸出端見圖6。

圖4 面對輸出端減速機輸出軸轉動方向

圖5 減速機輸出端殼體銷軸、螺栓位置

圖6 修復后減速機輸出端

2.2 故障2：扭力支撐裝置螺栓組拉斷

RP1712輥壓機的扭力支撐裝置損壞情況見圖7。由圖可知，扭力軸座地腳螺栓（4組）拉斷，連接架的耳板拉斷（注：連接架將扭力軸座與減速機扭力臂連接一體）。如圖8所示，電機電流上升至跳停值，設備連鎖保護停機。

圖7 扭力支撐裝置損壞

圖8 輥壓機電動機故障電流曲線2

輥壓機輥面卡異物后，靜輥減速機輸出軸以及與之連接的輥子，在運轉過程中被異物卡夾產生制動，制動載荷超過扭力軸座地腳螺栓抗拉強度后，螺栓組整體拉斷；連接架的耳板單邊掰斷，銷軸竄出。扭力軸座地腳螺栓受力情況如圖9所示。

圖9 扭力軸座地腳螺栓拉斷部位示意圖

3 故障分析

3.1 對故障1的力學分析

3.1.1 減速機殼體螺栓組抗剪荷載計算

減速機斷面法蘭與扭力臂連接的螺栓即M30高強螺栓（粗牙，螺距3.5mm）、8.8等級強度、24組件（含螺母及平、彈性墊圈）；其中，8.8等級強度的螺栓抗拉強度σb=800MPa，屈服強度σs=640MPa（按照GB/T 3098.1-2000,GB/T 3098.2-2000選取）；M30螺栓有效直徑d=26.71mm，有效面積S=560.6mm2（GB/T 3908.13-1996）。18組φ30銷軸（孔、軸公差帶選擇為過渡配合，裝配方式：壓力裝配）材料為35#鋼，調質熱處理后其抗拉強度σb=800MPa，屈服強度σs=640MPa；螺栓有效直徑d=30mm，有效面積S=706.5mm2（GB/T 120.2-2000銷B30X145 35#）[1]。

（1）24組M30螺栓抗剪強度的計算

公式：F許用受剪切力=σs×S（屈服強度σs=640MPa，有效面積S=560.6mm2）=358 784N

因為圓周有24組螺栓，所以∑F許用受剪切力=358 784N×24組=8.610 816×103kN。

減速機底部法蘭螺栓的分度圓直徑為φ1 450mm，故其力臂（回轉半徑）為1.450m/2=0.725m。

公式：T承受力矩=F×L（F為上部荷載8.610 816×103kN；L為力臂1.450m/2=0.725m）=6.242 841 6×103kN·m

（2）18組銷軸抗剪強度的計算

同 上公式F許用受剪切力=σs×S（屈服強度σs=640MPa，有效面積S=706.5mm2）=452 160N。

因為圓周有18組銷軸，所以∑F許用受剪切力=452 160N×18組=8.138 88×103kN。

（3）螺栓組預緊力計算

式中：

Mt——螺栓預緊力矩，N·m

K——擰緊力系數（K取0.12，無潤滑，精加工面）

d——螺紋公稱直徑，mm

P0——預緊力，N

As——剪切剖面，此處同上有效面積560.6mm2

σ0——螺栓材料的屈服極限，取（0.5～0.7）σs，此處同上抗拉強度640MPa。

M30螺栓組（8.8級）預緊力矩：

24組螺栓∑Mt=30 998.937 6N·m

M30螺栓組（8.8級）預緊力：

24組螺栓∑P0=8.610 816×103kN

（4）法蘭發生相對運動時最大靜摩擦力計算

式中：

f——摩擦力，N

μ——摩擦系數（鋼-鋼，取0.1～0.15）

Fn——擠壓力，N

此時Fn=∑P0，因此f=0.15×8.610 816×103kN=1.291 622 4×103kN

3.1.2 還原銷軸、螺栓剪斷發生過程

通過以上4組數據還原銷軸、螺栓剪斷發生過程：

（1）當滿足18組銷軸剪斷條件時：∑F許用受剪切力（銷軸）（8.138 88×103kN）＞f（法蘭端面）（1.291 622 4×103kN），銷軸被全部剪斷。

（2）在銷軸剪斷的瞬間，法蘭端面與減速機殼體端面發生相對轉動（注：為防止出現螺栓裝配尺寸干涉，設計時螺栓裝配孔尺寸比螺栓直徑大2mm，保證裝配中存在縫隙），繼而發生剪斷1組、多組、甚至剪斷全部螺栓組的結果。

（3）當臨界破壞（剪斷）力矩≥18組銷軸的抗剪切力矩時，臨界破壞力矩（最小值）約為5.900 688×103kN·m，實際破壞力矩=所有銷軸力矩+部分螺栓力矩。

3.2 對故障2的力學分析

（1）扭力軸座地腳螺栓組抗剪荷載計算

扭力軸座的地腳螺栓采用M48高強螺栓（強度等級8.8級）、4組件（含螺母及平、彈性墊圈）；其中，8.8等級強度的螺栓抗拉強度σb=800MPa，屈服強度σs=640MPa（按照GB/T 3098.1-2000，GB/T 3098.2-2000選取）；M48螺栓有效直徑d=43.31mm，有效面積S=1 473mm2（按照GB/T 3908.13-1996選取）[1]。

公式：F許用受抗拉力=σb×S（已知抗拉強度σb=800MPa，有效面積S=1 473mm2）=1 178 400N

∑F許用受抗拉力=1 178 400×4組=4.713 6×103kN扭力支座螺栓拉斷位置距離回轉中心1 885mm，故力臂（回轉半徑）為1.885m。

公式：T承受力矩=F×L（已知F為上部荷載4.713 6×103kN；L為力臂1.885m）=4.713 6×103kN×1.885m=8.885 136×103kN·m

3.3 兩次故障數據比較

從數據上看，5.900 688×103kN·m＜8.885 136×103kN·m，但若第一次數據加上部分M30螺栓組的抗剪力矩，兩次破壞數據也較接近。

3.4 綜合分析

3.4.1 輥壓機與鎖緊盤裝配的結構與原理

輥壓機減速機輸出端（空心軸）與輥子軸采用鎖緊盤形式連接傳動。高強螺栓通過緊固力矩來脹緊內部的錐形套，在此過程中，錐形套、輸出端空心軸、輥子軸之間發生變形（直徑變化與伸縮量尺寸變化），形成應力（表現為接觸面壓應力、摩擦力）。如圖10所示，鎖緊盤常配套兩種形式，單錐兩件套（小錐角，角度約2.7°～2.8°）HSD型和雙錐三件套（大錐角，角度約8°左右）SP2型，因制造單位使用材料和制造工藝不同，數據略有差異。

圖10 HSD型鎖緊盤和SP2型鎖緊盤示意圖

RP170-120輥壓機配套使用HSD590型或SP2（590×980）型鎖緊盤。鎖緊盤制造技術在行業中比較成熟，制造過程中即進行各項材料力學性能試驗，出廠前進行鎖緊力矩、傳動力矩試驗。

以下用兩種鎖緊盤的傳遞轉矩測算減速機輸出端（空心軸）承受最大轉矩與輥子軸實際承受轉矩，測算故障剎車時間，分析輥壓機過載時電氣元件動作對設備的保護能否實現。

3.4.2 測算比較鎖緊盤與輥壓機輸入軸扭矩

（1）鎖緊盤HSD590型額定傳遞轉矩2 715kN·m，鎖緊盤SP2型額定傳遞轉矩2 400kN·m，已知輥壓機額定輸出扭矩523 160N·m，比較兩種鎖緊盤額定傳遞轉矩與輥壓機額定輸出扭矩之比。

2 715kN·m÷523.160kN·m≈5.189 6倍

2 400kN·m÷523.160kN·m≈4.587 5倍

由以上計算可知，鎖緊盤HSD590型和SP2（590×980）型輸送力矩，分別約是減速機額定力矩的5.19倍、4.59倍。

（2）由故障分析計算得出，第一、二次故障瞬間力矩分別為5.900 688×103kN·m、8.885 136×103kN·m，比較兩次故障力矩與鎖緊盤HSD590型額定轉矩之比。

5.900 688×103kN·m÷2.715×103kN·m≈2.17倍

8.885 136×103kN·m÷2.715×103kN·m≈3.27倍

由以上計算可知，即使計算數據較小的第一次故障，剪斷減速機法蘭銷軸、螺栓的力矩，也約為鎖緊盤HSD590型輸出力矩的2.17倍，可見鎖緊盤傳動轉矩仍然存在，是兩次故障嚴重化的主要原因。

3.4.3 鎖緊盤與空心軸受力、止動加速度、止動時間等測算

（1）HSD型與SP2型鎖緊盤對空心軸受力測算，故障1、故障2對空心軸受力測算

公式：F=T÷L

已知HSD型鎖緊盤額定輸出力矩2 715kN·m；SP2型鎖緊盤額定輸出力矩2 400kN·m；L力臂0.59m；故障1破壞扭矩12.485 683 2×103kN·m；故障2破壞扭矩8.885 136×103kN·m。

HSD型鎖緊盤與輸出端空心軸摩擦（傳動）力：

SP2型鎖緊盤與輸出端空心軸摩擦（傳動）力：

故障1時，輸出端空心軸摩擦（傳動）力：

故障2時，輸出端空心軸摩擦（傳動）力：

（2）故障瞬間數據測算及傳動部件保護有效性分析

故障1、2發生時，輥子止動（剎車）加速度a、止動時間t測算

公式：a=F÷m；t=V÷a

已知輥子質量m約為30t（30×103kg）,減速機輸出轉速1 480r/min，傳動比81.35。

故障1時，輸出端空心軸部位（剎車）止動加速度a1：

故障2時，輸出端空心軸部位（剎車）止動加速度a2：

減速機輸出端運行轉速n：

減速機輸出端運行線速度v：

故障1（剎車）止動時間t：

故障2（剎車）止動時間t：

綜上，在目前，電氣保護（動作）時間設置僅能保護電器元件與電氣裝置，在接近千分之一秒故障時間內，即使電氣保護程序動作，但由于設備運轉慣性，傳動部件難以被保護。

3.4.4 綜合設備實際裝配、運行情況和以上測算的數據，分析故障主因

（1）在此之前，曾出現過卡異物或帶載啟動（進料口堵滿）情況，但也只造成輸出軸、輸入軸打滑，停機后只需進行鎖緊盤力矩螺栓二次緊固，并未出現過剪斷或拉斷高強螺栓組的嚴重故障。

（2）即使數據較小的第一次故障發生時，傳動轉矩已經超過鎖緊盤傳動轉矩2.17倍以上，鎖緊盤裝置脹緊的減速機輸出端空心軸以及輥子軸也未出現打滑現象（相對轉動）。

由此可見，螺栓組強度均滿足和超過輥壓機設計和使用荷載要求，設備故障主要原因指向減速機輸出軸、輥子輸入軸被鎖緊盤脹緊后的裝配狀態。減速機輸出軸、輥子輸入軸解體后現場情況見圖11、12，現場觀察，輸出端空心軸、輥子軸的內、外表面有拉傷等現象。減速機輸出軸內表面和輥子外表面，存在摩擦（傳動）力增加情況。運轉中減速機輸出端空心軸和輥子軸存在卡滯、膠合狀態。

圖11 減速機空心軸現場情況

圖12 輥子軸現場情況

3.4.5 綜合分析結果

輸出軸、輸入軸不能以“打滑”形式釋放破壞扭矩，“柔性”傳動轉為“剛性”傳動。

此處“柔性”轉“剛性”只是近似理解為“三角帶與皮帶輪”柔性傳動，轉變為類似“軸、鍵鋼套聯軸器”剛性傳動形式，與“柔性”、“剛性”專業定義不完全等同。

4 處置方法

4.1 輥壓機傳動軸修復處理中輸出軸、輸入軸技術要求

減速機出廠及使用標準為，減速機輸入、輸出軸的尺寸公差符合圖紙要求，粗糙度應達到Ra1.6μm。（按照JC/T 845-2001《水泥工業用輥壓機》中4.2.3.5條款輥子動力輸入端軸頸表面粗糙度≯Ra3.2μm；4.2.3.6條款輥子所有軸肩、軸臺與軸頸過渡部位均采用圓角過渡，圓角表面粗糙度值≯Ra1.6μm）。在進行返廠、現場修復時，需要將損壞部件相關部位修復到標準的尺寸及形位公差，更重要的是，表面粗糙度應達到標準。

4.2 輥壓機輸入軸在線焊補、加工的方法及效果

4.2.1 焊補方法

二氧化碳保護焊選用φ0.5mm焊絲，材質為H08Si2MnA；試件焊接，調整匹配電壓、電流，匹配二氧化碳氣體流量；對焊、分段焊、慢速焊；焊道附近用測溫槍測溫度，控制在60℃左右。

4.2.2 加工方法

（1）焊補后軸冷卻至室溫，打磨光滑待加工面。

（2）粗加工車削后，用百分表測量軸圓跳動是否合格，不合格則重復上道工序。

（3）精加工車削后，表面粗糙度接近6.3級，同時留出下道磨削工序的余量。

（4）跟刀架安裝電磨機，對軸精加工面進行一次磨削，尺寸和粗糙度要達到要求。

（5）多次使用百分表測量圓跳動，使用螺旋千分尺測量尺寸。

（6）修復后軸表面粗糙度介于Ra（3.2～1.6）μm之間，軸直徑φ480.02mm。

5 修復效果

如圖13、14所示，修復后，尺寸、形位公差、表面粗糙度等精度均達到要求。

圖13 在線粗、精車削加工

圖14 對精加工面打磨、拋光

6 結語

（1）螺栓組剪斷或者拉斷故障出現時，不可簡單從螺栓規格偏小或者從提高強度等方面來分析和采取應對措施。短時間內連續兩次設備故障的主要原因是，設備部件使用及維修后精度下降，輥壓機卡異物過載后，減速機輸出、輥子輸入軸沒有出現“打滑”方式釋放掉破壞能量，即“柔性”傳動方式轉變成“剛性”傳動方式，造成剪斷和拉斷螺栓的設備故障。因此，要嚴格按照規范、標準維修輥壓機減速機輸出軸、輥子輸入軸，恢復設備部件應有的精度，才可避免故障再次發生。

（2）關注設備運行細節，做好運行記錄，完善檢修計劃（比如輸出、輸入軸部位“打滑”），待檢修時，將現場在線加工修復項目排入檢修計劃內，保證設備得到充分修復。

（3）注意檢修細節，常規的安裝尺寸（距離、高差）、緊固力矩（分次、順序）、同軸度（跳動值）等主要技術參數必須進行嚴格控制；減速機輸出端空心軸、鎖緊盤、輥子軸等零部件的內、外表面除銹、拋光、涂油脂等工作也同等重要，可以保證生產系統穩定運行，降低設備維修中的拆、裝難度，有利于控制檢修質量、進度。